CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
RAFAEL COELHO DE ASSUMPÇÃO
PROJETO PRELIMINAR DE UMA MINI INJETORA/EXTRUSORA HÍBRIDA
DE BAIXO CUSTO PARA PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS COM
FINALIDADE ACADÊMICA
PATO BRANCO 2016
PROJETO PRELIMINAR DE UMA MINI INJETORA/EXTRUSORA
HÍBRIDA DE BAIXO CUSTO PARA PROCESSAMENTO DE
POLÍMEROS COM FINALIDADE ACADÊMICA
Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Engenharia Mecânica da Coordenação de Engenharia Mecânica – COEME – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Campus Pato Branco, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Dr. Bruno Bellini Medeiros
PATO BRANCO 2016
Projeto preliminar de uma mini injetora/extrusora híbrida de baixo
custo para processamento de polímeros com finalidade acadêmica
Rafael Coelho de Assumpção
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação apresentado no dia 02/12/2016 como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Mecânico, do curso de Engenharia Mecânica do Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Câmpus Pato Branco (UTFPR-PB). O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora julgou o trabalho APROVADO.
____________________________________ Prof. Dr. Robson Gonçalves Trentin
(UTFPR)
____________________________________ Prof. MsC. Roberto Nunes da Costa
(UTFPR)
____________________________________ Prof. Dr. Bruno Bellini Medeiros
(UTFPR) Orientador
__________________________________ Prof. Dr. Bruno Bellini Medeiros
Responsável pelo TCC do Curso de Eng. Mecânica
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho de conclusão de curso aos meus pais Ana Maria Coelho de Assumpção e Renato de Assumpção pelo empenho e dedicação na minha formação pessoal e profissional, e principalmente por me dar forças para superar as barreiras.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais Ana Maria Coelho de Assumpção e Renato de Assumpção e à minha irmã Mariana Coelho de Assumpção por todo esforço, dedicação e paciência que sempre tiveram comigo.
Agradeço a minha namorada Audrey Hofmann pelos conselhos e por me ajudar a enxergar o lado positivo nas dificuldades.
Agradeço principalmente a todos os professores que fizeram parte da minha formação universitária, todos contribuíram muito para o profissional que estou me tornando.
Agradeço ao meu Professor Orientador Doutor Bruno Bellini Medeiros, por todo conhecimento repassado, pela versatilidade em manter contato comigo mesmo realizando o trabalho a distância, por toda dedicação e empenho em me auxiliar a concluir o trabalho, me incentivando e me motivando em fazer o meu melhor, por ter marcado uma reunião em Curitiba – PR, tendo se deslocado e se reunido comigo para definições do trabalho.
Agradeço também à todos meus amigos que sempre foram muito além de colegas de universidade e me ajudaram a compreender diversos assuntos complexos para meu entendimento, e por sempre estarem me apoiando e me ajudando a superar os desafios.
EPÍGRAFE
Conquest is a chance which probably depends more upon the faults of the vanquished than upon the genius of the victor
(NECKER, Anne Louise Germaine, 1821)
A conquista é um acaso que talvez dependa mais das falhas dos vencidos do que do gênio do vencedor. (NECKER, Anne Louise Germaine, 1821)
RESUMO
ASSUMPÇÃO, Rafael. Projeto Preliminar De Uma Mini Injetora/Extrusora Híbrida De Baixo Custo Para Processamento De Polímeros Com Finalidade Acadêmica 2016. 100 f. Trabalho de Conclusão de Curso - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2016.
Esta pesquisa apresenta uma abordagem teórica conceitual formulada nos princípios do processamento de polímeros abordando os conceitos dos componentes dos equipamentos de injeção e extrusão. Aborda em detalhes os formatos específicos das roscas para os diferentes tipos de polímeros e de processos discutidos, a pesquisa tem como ponto chave o melhor aproveitamento do equipamento para a utilização com finalidade acadêmica, sendo dimensionado e projetado para atender os estudos em ambiente laboratorial controlado, a abordagem se complementa no projeto de moldes metálicos para a produção de corpos de prova especiais para polímeros segundo a norma ASTM. A abordagem sobre extrusão de polímeros contempla o seu módulo total desde seu funcionamento básico, até a aplicação de sua matriz, e seu módulo resfriador. A pesquisa foi concluída com o incremento de uma pesquisa de campo realizada no ambiente industrial da empresa de Injeção de plástico, localizada em Curitiba – PR, onde foi discutido quais seriam as melhorias visadas na fabricação de peças processadas a partir da injeção de polímeros, foram abordados itens como injeção multiponto, injeção em moldes com câmara quente, as devidas conclusões sobre essas abordagens estão sendo apresentadas na forma de estudos complementares para essa pesquisa. O resultado da pesquisa é apresentado na forma do equipamento hibrido de Injeção/Extrusão, conforme os devidos componentes necessários para atender satisfatoriamente tal equipamento, são apresentados ao final da pesquisa o equipamento montado e devidamente detalhado para sua produção.
Palavras-chave: Polímeros, moldes metálicos, matriz de extrusão, roscas para
ABSTRACT
ASSUMPÇÃO, Rafael. Preliminary Design of a Low Cost Hybrid Mini Injector / Extruder for Polymer Processing with Academic Purpose 2016. 100 f. Trabalho de Conclusão de Curso - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2016.
This research presents a theoretical conceptual approach formulated in the principles of the polymer processing approaching the concepts of the components of the injection and extrusion equipment. It addresses in detail the specific thread sizes for the different types of polymers and of the processes discussed, the research has as key point the best use of the equipment for the use with academic purpose, being dimensioned and designed to attend the studies in controlled laboratory environment, The approach is complemented in the design of metal molds for the production of special test bodies for polymers according to ASTM. The approach on polymer extrusion contemplates its total modulus from its basic operation to the application of its matrix and its cooling modulus. The research was completed with the increment of a field research carried out in the industrial environment of the company of injection polymers, located in Curitiba - PR, where it was discussed what would be the improvements aimed at the manufacture of parts processed from the injection of polymers. Multi-point injection, hot-chamber injection molding, the appropriate conclusions about these approaches are being presented in the form of complementary studies for this research. The result of the research is presented in the form of the hybrid Injection / Extrusion equipment, according to the necessary components necessary to satisfactorily meet such equipment, are presented at the end of the research the equipment assembled and properly detailed for their production.
Keywords: Polymers, metal molds, extrusion die, threads for polymer processing,
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 - REPRESENTAÇÃO DOS PARÂMETROS DO IE. ... 24
FIGURA 2 - FLUXO INTERNO DA MASSA POLIMÉRICA. ... 26
FIGURA 3 - COMPORTAMENTO DO LDPE ENTRE AS TEMPERATURAS DE TRANSIÇÃO. ... 31
FIGURA 4 – ESQUEMA BÁSICO DE UMA EXTRUSORA. ... 33
FIGURA 5 – ZONAS DA ROSCA. ... 35
FIGURA 6 – CARACTERÍSTICAS DO BARRIL E DA ROSCA. ... 35
FIGURA 7 - LINHA DE ACABAMENTO ACOPLADO À EXTRUSORA. ... 38
FIGURA 8 – FLUXO DE ENERGIA APLICADO AO POLÍMERO, A LINHA PONTILHADA É DEVIDO A UMA MAIOR PRESSÃO PERTO DO FUNIL (ZONA DE ALIMENTAÇÃO CURTA) ... 39
FIGURA 9 – FASES DURANTE O PROCESSO DE INJEÇÃO. ... 41
FIGURA 10 - ROSCA TÍPICA PVC. ... 46
FIGURA 11 - ROSCA TÍPICA LDPE COM MISTURADOR. ... 46
FIGURA 12 - ROSCA TÍPICA PARA PS. ... 47
FIGURA 13 - ROSCA TÍPICA PARA EXTRUSÃO DE NÁILON. ... 47
FIGURA 14 - ROSCA TÍPICA PARA PP. ... 48
FIGURA 15 - ROSCA PARA PET RECICLADO. ... 49
FIGURA 16 - COMPONENTES DA MATRIZ. ... 50
FIGURA 17 - DEFEITOS APRESENTADOS POR IMPERFEIÇÕES NA MATRIZ DE EXTRUSÃO. ... 50
FIGURA 18 - ESQUEMA DO MOLDE SIMPLES DE DUAS PLACAS. ... 52
FIGURA 19 - PROCESSO DE EJEÇÃO DE PEÇAS COM MOLDE DE MÚLTIPLAS PLACAS. ... 53
FIGURA 20 - EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DE MOLDE COM MANDÍBULAS. ... 54
FIGURA 21 - EXEMPLO DE MOLDE COM MACHO CENTRAL ROTATIVO. ... 54
FIGURA 22 - CANAL DE INJEÇÃO. ... 54
FIGURA 23 - MODELOS SUPLENTES DE CANAL COMPARADO AO CANAL CIRCULAR. ... 55
FIGURA 24 - TIPOS DE PONTOS DE INJEÇÃO. ... 57
FIGURA 26 - CORPO DE PROVA PARA ENSAIO DE IMPACTO PARA
POLÍMEROS. ... 65
FIGURA 27 – CORPO DE PROVA PARA ENSAIO DE TRAÇÃO PARA POLÍMEROS. ... 65
FIGURA 28 - ÁREA OBTIDA NO SOFTWARE SOLIDWORKS 2015, CORPO DE PROVA TRAÇÃO ASTM D638-03. ... 66
FIGURA 29 - ÁREA OBTIDA NO SOFTWARE SOLIDWORKS 2015, CORPO DE PROVA IMPACTO ASTM D790-03. ... 66
FIGURA 30 - ÂNGULOS DA PONTEIRA E BARRIL. ... 68
FIGURA 31 - ROSCA DIMENSIONADA PARA O POLIPROPILENO (PP). ... 68
FIGURA 32 - BARRIL DIMENSIONADO CONFORME DESCRITO PARA A ROSCA MENCIONADA. ... 69
FIGURA 33 - MODELO SIMPLIFICADO PARA CALCULO DA FORÇA DE FECHAMENTO DO MOLDE. ... 70
FIGURA 34 - RELÉ TEMPORIZADOR. ... 72
FIGURA 35 - DETALHAMENTO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA TIPO COLEIRA. ... 72
FIGURA 36 - RESISTENCIA ELÉTRICA TIPO COLEIRA DE MICA. ... 73
FIGURA 37 - CONTROLADOR DE TEMPERATURA. ... 74
FIGURA 38 - MOTOR VENTOINHA DE ARREFECIMENTO BOSCH GPB F006.KM0.60F. ... 74
FIGURA 39 - MODELO DE ENGRENAGEM. ... 75
FIGURA 40 – ENGRENAGEM. ... 76
FIGURA 41 - MECANISMO DE FECHAMENTO DO MOLDE. ... 77
FIGURA 42 - EQUIPAMENTO NO MÓDULO DE INJEÇÃO. ... 78
FIGURA 43 - MATRIZ DE EXTRUSÃO ACOPLADA À PLACA FIXA DO EQUIPAMENTO. ... 79
FIGURA 44 - TANQUE DE RESFRIAMENTO PARA EXTRUSÃO. ... 79
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - DENSIDADE DE DIFERENTES MATERIAIS - 1995 ... 19
TABELA 2 - VOLUME ESPECÍFICO E DENSIDADE DE ALGUNS POLÍMEROS. ... 29
TABELA 3 - TEMPERATURAS DE TRANSIÇÃO. ... 31
TABELA 4 - FAIXAS DE TEMPERATURAS DE PROCESSAMENTO DE ALGUNS POLÍMEROS ... 37
TABELA 5 - TEMPERATURAS DISTRIBUÍDAS CONFORME ZONAS DA ROSCA 41 TABELA 6 - PRESSÕES MÁXIMAS DOS POLÍMEROS. ... 42
TABELA 7 - PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS. ... 42
TABELA 8 - RELAÇÕES PARA AS ROSCAS UTILIZADAS EM INJETORA. ... 44
TABELA 9 - DIMENSÕES MÉDIAS MAIS SIGNIFICANTES PARA INJEÇÃO DE PVC RÍGIDO, COM ERRO DE +- 10%. ... 45
TABELA 10 - DIMENSÕES DE ROSCAS PARA NÁILONS... 45
TABELA 11 - RELAÇÕES PARA O PVC COMPOSTO. ... 46
TABELA 12 - DIMENSIONAMENTO DA ROSCA PARA O PP. ... 48
TABELA 13 - ESPECIFICAÇÕES DE GRELHAS. ... 50
TABELA 14 - TEMPOS DE RESFRIAMENTO PARA ALGUNS POLÍMEROS. ... 58
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 - PROCESSOS REALIZADOS PARA PROTEGER A ROSCA CONTRA DESGASTES. ... 43
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15
2 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO ... 17
2.1 INTRODUÇÃO AOS POLÍMEROS ... 17
2.2 PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS ... 18
2.2.1 INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS POR INJEÇÃO 21 2.2.2 INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS POR EXTRUSÃO... ... 23
2.3 EFEITOS VISCOELÁSTICOS DECORRENTES DA EXTRUSÃO DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS ... 24
2.3.1 Inchamento do Extrudado ... 24
2.3.2 Efeito Viscoelástico ... 26
2.3.3 Efeito Pele De Cação ... 27
2.4 FLUXO DE POLíMEROS NO PROCESSAMENTO ... 27
2.4.1 Tempo de Residência ... 28
2.4.2 Tempo de Relaxação ... 29
2.5 COMPORTAMENTO TÉRMICO ... 30
2.6 DEGRADAÇÃO DO POLÍMERO ... 32
2.7 EQUIPAMENTOS PARA PROCESSAMENTO DE POLIMEROS (EXTRUSORA E INJETORA) ... 33
2.7.1 Extrusora ... 33
2.7.2 Injetora ... 39
2.7.3 Roscas ... 42
2.7.3.1 Roscas para injetoras ... 44
2.7.3.2 Roscas para extrusoras ... 45
2.8 MATRIZES PARA EXTRUSÃO ... 49
2.9.1 Vantagens E Desvantagens Do Canal Quente ... 52
2.9.2 OUTROS TIPOS DE MOLDES PARA INJEÇÃO ... 53
2.10 SISTEMA DE CANAIS DO MOLDE ... 54
2.11 PONTO DE INJEÇÃO ... 56
2.12 PRINCIPAIS MATERIAIS PARA CONsTRUÇÃO DE MOLDES ... 57
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 61
4 RESULTADOS E ANÁLISES ... 63
4.1 DIMENSIONAMENTO DO EQUIPAMENTO ... 63
4.1.1 Determinação do polímero ... 63
4.2 CÁLCULO DA FORÇA DE FECHAMENTO DO MOLDE ... 70
5 CONCLUSÕES ... 81
REFERÊNCIAS ... 84
1 INTRODUÇÃO
A pesquisa sobre processamento de polímeros será apresentado com foco em dois processos: a injeção e a extrusão, cujos processos englobam segundo a ABIPLAST (2012) cerca de 95% dos processos aplicados na indústria brasileira. Será realizado um estudo para um projeto preliminar de um equipamento híbrido de relativo baixo custo e pequeno porte com objetivo acadêmico para estudos sobre polímeros. O estudo irá se concentrar nos diferentes tipos de roscas aplicadas no equipamento e nos materiais que são aplicados ao processamento com essas roscas, visando não afetar a estrutura do polímero processado. Consequentemente a pesquisa abrangerá um estudo detalhado sobre moldes metálicos para injeção de polímeros, juntamente com suas aplicações, o intuito do projeto é estudar as possibilidades e possíveis aplicações deste equipamento híbrido no estudo do processamento de polímeros, levando em consideração sua construção de baixo custo, pois atualmente uma máquina injetora ou extrusora de polímeros tem custo elevado, o que impossibilita a aquisição de unidade laboratorial para o estudo do processamento de polímeros.
A pesquisa busca implementar possíveis estudos futuros com relação aos polímeros, tanto relacionado com a alteração do equipamento, quanto ao estudo nas qualidades dos polímeros processados, alterando alguns componentes como a rosca e o barril, a matriz de extrusão, os moldes metálicos, e devidas melhorias nos mecanismos do equipamento, dessa maneira a construção futura do equipamento visa atender uma nova área de estudo possível dentro do ambiente da universidade.
Definindo alguns parâmetros de projeto, conforme descrito no objetivo do projeto preliminar, iniciando pelo polímero, obtemos as relações L/D da rosca e demais cálculos, dessa sequencia o processo de construção do equipamento hibrido de Injeção/Extrusão, deve seguir o organograma de atividades, onde para a validação de um projeto podemos utilizar a idealização de Norton (2004), onde descreve algumas situações que englobam o projeto, onde desde a idealização, a pesquisa realizada, a etapa de determinação de materiais e componentes e etapas de desenvolvimento , como criação do protótipo, testes, e construção final validam um projeto.
O equipamento será dimensionado conforme a pesquisa, e será relacionado os materiais necessários para fazer a devida construção do
equipamento, as alternâncias dos processos será discutida e demostrada conforme esquemas de montagem, para a satisfatória execução do produto injetado ou extrudado será descriminado quais ligas metálicas melhor se aplicam nos componentes, juntamente com o modelo dos controladores de fluxo e temperatura. Um dispositivo de extração da peça injetada no molde será projetado, visando facilitar a retirada da peça, levando em consideração a aplicação do ângulo de saída necessário de no mínimo 1º no molde metálico.
2 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
2.1 INTRODUÇÃO AOS POLÍMEROS
Os estudos sobre polímeros iniciaram no século XX, quando a contribuição desses materiais para o desenvolvimento industrial foram notáveis. Segundo Mano e Mendes (2004) a denominação do termo polímeros surge a partir de uma pesquisa realizada por Hermann Staudinger em meados de 1920, que considerava a borracha natural e outros produtos de síntese com estrutura química desconhecidas, como materiais de moléculas de cadeias longas, e não como agregados de moléculas de cadeias curtas como anteriormente tinham sido especuladas, em 1928 estudos provaram que os polímeros eram materiais de elevado peso molecular, porém devido a uma dificuldade encontrada em isolar as moléculas de grandes dimensões pela falta de métodos adequados, então a literatura da época trata como High Polymer devido ao peso molecular.
Os polímeros são denominados dessa forma segundo Manrich (2005, p.20) devido a palavra grega poli que significa “muito” e a palavra mero que significa “unidade”, ou seja, “muitas unidades”.
Os plásticos são polímeros artificiais ou sintéticos que podem ser moldados, para a fabricação de uma ampla linha de produtos, embalagens, objetos, suportes (PERUZZO; CANTO, 2006).
O termo plástico foi aderido pela indústria, e significa adequado a moldagem. Uma característica importante é que todos os plásticos utilizados hoje são polímeros, embora nem todo polímero seja um plástico (VANIN, 1994).
Segundo Callister (2002) os polímeros artificiais, com formação natural tem derivação de plantas ou animais, materiais como a borracha, a madeira, o algodão, a lã, o couro e a seda, tem estrutura pronta e são utilizados sem processamento molecular posterior, existem também os polímeros sintéticos, que são transformados a partir de pequenas moléculas orgânicas, os materiais englobados nessa divisão são alguns dos mais utilizados como plásticos, fibras, borrachas, entre outros, com a ocorrência da segunda guerra mundial entre os anos de 1939 e 1945 o desenvolvimento dos materiais foi intenso, pois a busca por melhor rendimento de tropas e superioridade, fez com que a evolução no campo dos
materiais tivesse um salto, assim os polímeros sintéticos começaram a ganhar um grande vislumbre aos olhos das industrias, pois agora era possível utilizar de técnicas de melhoramento de polímeros naturais, e assim as borrachas e outros tipos de plásticos foram ganhando diversas aplicações, resultado de um aperfeiçoamento de propriedades dos materiais.
De acordo com Mano e Mendes (2004, p. 4)
Monômeros ("monomers") são micromoléculas; são compostos químicos suscetíveis de reagir para formar polímeros. A composição centesimal do polímero pode ser quase a mesma dos monômeros, ou um pouco diferente, dependendo do tipo de reação que promoveu a interligação dos meros para formar a cadeia polimérica.A reação química que conduz à formação de polímeros é a polimerização ("polymerization").
Segundo Manrich (2005) o polímero pode ser classificado conforme os tipos de meros presentes, quando um só tipo de mero se repete então é chamado homopolímero, se dois meros diferentes aparecerem na cadeia, é chamado copolímero. E se aparecerem três meros diferentes na mesma cadeia, é chamado terpolímero.
Os atuais plásticos e borrachas que conhecemos, são produtos sintéticos, a formação de polímeros sintetizados, ocorre devido a extração de monômeros da matéria prima bruta, podendo ser do petróleo, plantas, animais, etc. Devido à grande quantidade de carbono presente nessas matérias prima, o monômero retirado do petróleo é o mais barato de ser obtido, justificando a sua vasta aplicação em diversos tipos de polímeros.
2.2 PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
Os polímeros possuem alguns tipos de classificação conforme o processamento aplicado, podemos listar os termoplásticos, termorrígidos, plásticos de engenharia e elastômeros, como determinadores iniciais do tipo de processamento, baseado nessa classificação Paolli (2008) resume que os polímeros termoplásticos são aqueles que podem ser moldados diversas vezes, e são divididos entre dois grupos, os de baixa densidade, e os de alta densidade, alguns exemplos de polímeros termoplásticos são a celulose, a poliamida, o polietileno, o policloreto
de vinila, o politetrafluoretileno, o propileno, o poliestireno, a poliacrilonitrila (PERUZZO; CANTO, 2006). Por outro lado os polímeros termorrígidos, ou termofixos, podem ser moldados como um pré-polimeros, necessitando um processo de “cura” para finalizar o modelamento, e após essa cura, eles não podem ser moldados novamente por aquecimento, os plásticos de engenharia podem ser moldados a frio por processos de usinagem, por exemplo, mas a maioria é moldada como termoplástico, os elastômeros ou borrachas, são materiais que suportam grandes deformações sem se romperem, existem elastômeros que são moldados da mesma forma que os termoplásticos, e são denominados de elastômeros termoplásticos, já outros tipos de elastômeros necessitam passar por processos químicos para serem passiveis de modelagem, esse processo é chamado de reticulação, e é mais conhecido como vulcanização no caso dessa reação ser provocada pelo uso de enxofre. Com referência a densidade os polímeros apresentam um valor relativamente baixo com relação a outros materiais normalmente de 1 a 2 g/cm3, Michaeli (1995, p. 66) apresenta algumas faixas de densidade de alguns polímeros, e destaca que o polietileno (PE) e o polipropileno (PP) tem densidade menor que a agua.
Tabela 1 - Densidade de diferentes materiais - 1995
Material Densidade [g/cm³] Plásticos 0,9 – 2,3 PE 0,9 – 1,0 PP 0,9 – 1,0 PC 1,0 – 1,2 PA 1,0 – 1,2 PVC 1,2 – 1,4 PTFE > 1,8 Aço 7,8 Alumínio 2,7 Madeira 0,2 – 0,95 Agua 1,0
Fonte: Adaptado Tecnologia dos plásticos (MICHAELI 1995, p. 66) 1 - Densidade de alguns materiais diferentes - 1995
Essa classificação dos polímeros é necessária para outra separação de classes, onde no processamento a técnica a ser utilizada depende do material ser termoplástico ou termorrígido, da temperatura de fusão, da estabilidade química do material a ser processado (degradação do polímero e a diminuição da massa molar), e da geometria e tamanho do produto desejado.
Os termoplásticos amorfos são processados acima da temperatura de transição vítrea e os semicristalinos acima da temperatura de fusão. Em ambos os casos a aplicação de pressão deve ser mantida durante o resfriamento da peça para que a mesma retenha sua forma. Assim definidos os polímeros, podemos classificar alguns quanto o tipo de processamento, e agrupar os polímeros conforme a tecnologia a ser utilizada, dessa forma os processos de moldagem dos polímeros podem ser a quente, a frio, com ou sem pressão, conforme Mano (2004, p. 65 e 66):
Os processos de moldagem com aquecimento e sem pressão incluem o vazamento ("casting"), que pode gerar produto acabado (manufaturado) ou semi-acabado (semi-manufaturado), e a fiação por fusão ("melt spinning"), que resulta em semi-acabado. Aqueles com aquecimento e com pressão são os mais importantes do ponto de vista industrial. Abrangem a compressão ("compression molding") e a injeção ("injection molding"), que permitem a obtenção direta do artefato, e ainda a calandragem ("calendering") e a extrusão ("extrusion"), que possibilitam a preparação de peças contínuas, semi-manufaturadas; finalmente, o sopro ("blow molding") e a termoformação ("thermoforming”) ...
Os processos que serão mais abordados, serão a injeção e a extrusão, os demais processos citados acima serão detalhados de forma resumida, existem outros processos que não necessitam de aquecimento, nem de pressão, juntamente com outros processos mais complexos que não serão abordados.
O vazamento ("casting") tem como princípios o uso de um molde metálico ou de vidro para a formação de formas sem a necessidade do uso da pressão no molde, onde o polímero fundido é despejado nesse molde e solidificado nele, é utilizado para obtenção de chapas de grande espessura em moldes de vidro, ou de grandes dimensões utilizando correias ou esteiras de aço inoxidável para vazamento continuo do polímero, podemos citar a moldagem rotativa, onde é despejado o polímero fundido num molde rotativo que ao entrar em movimento obriga o polímero a permanecer na parede do molde, pela força centrípeta.
A fiação por fusão (“melt spinning”) segundo Brito Junior; Fleming; Pardini e Alves(2013) é o processo mais utilizado a fim de obter fibras, pois possui maior simplicidade do uso juntamente com maior velocidade e baixo custo operacional, porém, polímeros que se degradam a temperaturas próximas a fusão são submetidos às técnicas de fiação da solução (fiação a seco e úmida), onde a úmida
exige um solução com solvente e posteriormente a aplicação em fieiras e a passagem por rolos, já a fiação a seco ocorre conforme o polímero base passa por um aquecimento e separação em fios por fieiras e a passagem por rolos a fim de dar a forma final.
A ("compression molding") tem vasta aplicabilidade na indústria, esse processo tem como princípio a utilização de um monde aquecido, onde é despejado o polímero solido, posteriormente aplicado uma alta pressão e controlando a temperatura o polímero se funde e ocupa todo o molde, tem aplicabilidade na fabricação de painéis de automóveis.
A termoformação implica geralmente no uso polímeros na forma de chapas que são conformadas por uma matriz e um blank a fim de formar outras formas desejáveis.
A calandragem tem como objetivo obter filmes finos de polímeros, onde o polímero é despejado sobre uma calandra, e conforme ocorre a movimentação dos rolos, é criado um filme com a espessura passível de ser controlada.
O sopro ("blow molding") utiliza uma ferramenta de soro juntamente ao processo, a fim de confeccionar produtos ocos, um exemplo é a garrafa de polímero PET que ao ser inicialmente moldada na forma de pré produto é realizado um sopro para que tome a forma de garrafa.
A injeção ("injection molding") tem como princípio a utilização de pressão e temperatura no polímero para sua aplicação no molde, assim o polímero se funde e pode ocorrer a injeção no molde.
A extrusão ("extrusion") tem como princípio a utilização de uma rosca no processo de fusão do material, onde isso permite a fabricação continua de produtos, a modelagem da forma final do produto é feita a partir de um bico que é acoplado à extremidade de saída do polímero, esse bico permite a criação de peças continuas e solidas, como também a criação de peças vazadas internamente, como tubos e etc.
2.2.1 INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS POR INJEÇÃO
Um dos processos mais versáteis e modernos no campo da transformação e processamento dos polímeros é, sem dúvida, o da moldagem por injeção. (MANRICH,2005 p.277).
O processamento de polímeros com base nesse processo tem grande importância industrial, devido a que os avanços tecnológicos possibilitam uma infinidade de aplicação desse processo, diversas técnicas de injeção podem ser definidas, entre elas, a injeção convencional, injeção à gás, injeção com agua, micro injeção e nano injeção, entre vários outros tipos de injeção.
O injetor de polímero é constituído basicamente de um alimentador de matéria prima, um mecanismo de aquecimento do polímero que tem a função de homogeneizar o polímero, um canhão e de um mecanismo de transporte de polímero a fim de injetá-lo em um molde.
O canhão da injetora é composto de um canhão e uma rosca interna, esse canhão pode ser de geometria continua, na forma tubular ou na geometria de torre de cone, essa forma varia conforme o tipo de polímero e a proporção de pressão a ser incorporada no processo, a rosca presente no canhão pode ser composta de várias maneiras, desde rosca única com seções continuas, como de rosca dupla com seções variáveis, dependente do tipo de polímero e das características finais do produto. Este canhão é envolto por um mecanismo de aquecimento, podendo ser mecanismos de indução, ou mecanismos de resistência elétrica, esses mecanismos devem ser aplicados de forma controlada, pois o processo de injeção necessita de uma temperatura gradual no interior do canhão.
O molde responsável pela forma final do produto polimérico deve resistir a alta pressão de injeção e deve permitir a troca de calor a fim de resfriar o polímero, esse molde pode conter canais de passagem de fluido que auxiliam nessa troca de calor, o que é de grande importância para peças grandes ou de geometria complexa, deve também possibilitar a retirada do produto de seu interior sem danificar o mesmo.
O processo ocorre de forma continua no interior do canhão, pois o mesmo é alimentado por um funil, a rosca interna (rosca sem-fim) tem a função de carregar esse polímero até a região onde se inicia o processo de aquecimento do polímero, juntamente com esse movimento rotacional para carregar o polímero, a rosca recua para trás deixando um espaço entre o fim da rosca e a saída do polímero, no bico de injeção, esse bico permanece fechado até que seja depositado uma quantidade de polímero suficiente para a injeção, ao alcançar esse nível, a rosca se desloca axialmente para a frente injetando o polímero fundido no molde, visto que a válvula do bico injetor abre nesse momento, para que o polímero não retorne para dentro do
canhão, é necessário uma geometria de barramento na ponta da rosca, ou uma válvula de impedimento. Devido à rosca atuar ora como parafuso sem-fim, ora como pistão é que recebe o nome de rosca recíproca. (MANRICH, 2005 p.280). Após o preenchimento total do molde, a rosca necessita continuar aplicando pressão no mesmo, o tempo de pressurização depende do tempo que o polímero leva para resfriar no molde, a fim de não vazar, então o ciclo recomeça. O molde tem um ciclo que atua conforme o ciclo da injetora, ou seja, para o molde estar apto a ser preenchido deve estar limpo de impurezas, estando completamente fechado, e posicionado a frente do bico injetor, ao receber a injeção o molde deve permanecer fechado, evitando vazamentos, e deve conter se necessário os canais de resfriamento, que podem ser alimentados por uma bomba, após o molde ser preenchido totalmente e pressurizado pela ação da rosca, deve aguardar o tempo de empacotamento da peça, após esse período a peça não vaza pelo orifício de injeção, e a rosca recua novamente, porém o molde permanece fechado até que a peça seja resfriada até o ponto onde permita ser retirada sem imperfeições, então o molde é aberto, e inicia novamente o ciclo do molde.
Manrich (2005, p.281) conduz como forma de alerta os seguintes parâmetros para estudo do processo de injeção, primeiramente deve se atentar a homogeneização do polímero, juntamente com a fusão e transporte pela rosca, e o processo de preenchimento do molde, que envolve várias vertentes, desde o material do molde, até o fluxo do polímero fundido pelos canais do mesmo.
2.2.2 INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS POR EXTRUSÃO
O processamento de polímeros pelo processo de extrusão atinge um vasto número de aplicações dentro da indústria, esse processo é baseado numa extrusora, a qual é constituída de elementos funcionais iguais da injetora, porem com funcionalidades diferenciada, no caso da extrusora, o conceito é o mesmo da injetora e Manrich (2005, p.107) descreve como dentre os componentes desses equipamentos, o mais importante é a rosca, pelo fato de auxiliar em todas etapas desde transportar o polímero, fundir, homogeneizar e plastificar o mesmo.
A extrusora tem os aspectos parecidos com a injetora, onde a extrusora é constituída de um alimentador de polímero, um canhão com uma rosca interna
(rosca sem-fim) um mecanismo de aquecimento e um bico extrusor, o qual dá a forma desejada ao produto final.
Devido ao movimento rotacional da rosca cerca de 80% da energia térmica necessária no processo é gerada, devido ao cisalhamento sobre o material, e o restante é obtido pelos aquecedores, os sistemas de rosca dupla geram menor cisalhamento, [...] é necessário que a plastificação do polímero aconteça devido ao trabalho mecânico, realizado pela rosca, a fim de diminuir o tempo de aquecimento, e promover melhor vazão e durabilidade ao equipamento. A extrusora deve atender à alguns tipos de polímeros em detalhe, pois devido ao comportamento desses materiais quando são submetidos à temperatura, alguns liberam gases e líquidos, então para evitar problemas no processo, é necessário que o canhão da extrusora possua canais para a saída dos gases e líquidos, a rosca deve ser projetada a fim de atender à mesma preocupação. (MANRICH, 2005 p. 107)
2.3 EFEITOS VISCOELÁSTICOS DECORRENTES DA EXTRUSÃO DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
2.3.1 Inchamento do Extrudado
O inchamento do extrudado ocorre devido ao fato de o polímero ser transformado dentro da matriz de forma a suas cadeias se orientarem na direção do fluxo, porem devido ao atrito que ocorre entre as paredes da matriz (cilindro) e o polímero, o mesmo assume um direcionamento não linear, o que afeta sua dimensão ao sair do canal de extrusão, esse fenômeno ocorre pelo efeito do tempo de relaxação, dependente diretamente da temperatura, da taxa de cisalhamento, do atrito, do comprimento da matriz e seu diâmetro ou espessura, a figura 1 demostra as relações utilizadas para a equação 1:
Figura 1 - Representação dos parâmetros do IE.
Manrich (2005) salienta que devido a esta recuperação ocorrida pelo polímero fora da matriz o diâmetro ou espessura do extrudado aumenta, sendo o coeficiente determinado como coeficiente de recuperação β = (Ds/Di), Ds é o
diâmetro do extrudado e DI é o diâmetro interno da matriz, conforme equação 1,
onde n é o fator de potencias ligado ao tipo de polímero; yR é a deformação
recuperável; R é o raio interno do canal da matriz onde para fluidos viscoelásticos sob altas taxa de deformação, ocorre a recuperação da deformação, a descompressão do fluido e um rearranjo de velocidades, tornando complexo o conjunto dos diversos efeitos sobre o valor final do inchamento do extrudado(IER),
chegando a apresentar valores altos de inchamento, chegando a mais de 200%. Para fluidos pseudoplásticos, n<1, gerando um perfil de velocidades mais achatado, não afetando consideravelmente o inchamento. O inchamento pode ser estabelecido conforme equação 2 abaixo:
𝐷𝑆 𝐷𝑖 = 𝛽 = √[(2𝑛 + 1)/(3𝑛 + 1)] − 1 + ∫ √(1 + 𝛾𝑅 2∙ 𝑅2) 𝑑𝑥 (1) 𝐼𝐸𝑅 = 𝐷𝑆 𝐷𝑖 = [2 3∙ 𝛾𝑅 {(1 + 𝛾𝑅 −2)32− 𝛾 𝑅−3}] 1 2 (2) Onde:
n é o fator de potências de um polímero (adimensional); yR é a deformação recuperável na direção do escoamento;
R é o raio interno do canal da matriz. 𝛽 é o coeficiente de recuperação. Ds é o diâmetro do extrudado.
Di é o diâmetro da matriz de extrusão.
IER é o inchamento do extrudado.
A figura 2 mostra o efeito do atrito com as paredes citado acima, consequentemente o demonstrativo vetorial que justifica o inchamento do extrudado:
Figura 2 - Fluxo interno da massa polimérica.
Fonte: Manrich 2005, p. 68.
Manrich (2005, pg.69) apresenta claramente a dependência do inchamento do extrudado com a taxa de cisalhamento aplicada durante o processamento do polímero extrudado, onde polímeros submetidos a baixas temperaturas de fusão apresenta o inchamento do extrudado de forma considerável, mesmo estando sob baixas taxas de cisalhamento, enquanto um polímero fundido a alta temperatura e baixa taxa de cisalhamento apresenta o inchamento insignificante, porem nessa mesma condição aplicado a taxa de cisalhamento alta, também ocorre o inchamento considerável. Esses parâmetros estão aliados ao tempo de relaxação dos diferentes polímeros, onde cada um apresenta sua singularidade, podemos estimar alguns comportamentos do polímero extrudado, porém, isso varia conforme a taxa de cisalhamento, o tempo de relaxação, e a temperatura aplicada no processo, sendo que para uma taxa de cisalhamento baixa, temos que o polímero tende a recuperar sua forma que foi deformada no processo dentro da matriz, diminuindo o efeito do inchamento no produto final, porém quando não existe um barril muito longo, essa variação se equilibra em uma dimensão de 15:1 no comprimento do barril para o diâmetro do mesmo, o polímero acaba acumulando essa deformação, e ao passar pela matriz acaba recuperando sua forma fora dela, sendo passível de problemas no produto final devido ao inchamento do extrudado.
2.3.2 Efeito Viscoelástico
Segundo Pistor, Chiesa, Zattera (2010), no estudo da fluência, podem-se considerar dois tipos de comportamento: a viscoelasticidade linear e não linear.
Estas afetam diretamente a resposta de deformação, bem como os fenômenos de relaxação dos materiais. O efeito ocorre devido a região de convergência do fluxo, sendo por regiões mais largas ou mais estreitas na matriz, essa convergência implica num aumento da pressão aplicada, juntamente com a temperatura, isso gera uma concentração de grande energia neste ponto, e devido a mudança da seção na matriz ocorre uma espécie de depressões na massa polimérica, assim esse defeito pode aparecer no produto final, porém, em alguns casos, essas depressões são eliminadas devido a um longo canal paralelo da matriz ou devido ao uso de aditivos deslizantes e lubrificantes nessas regiões, outro fator que pode ser alterado é a temperatura da região, se as alternativas realizadas não surtirem efeito, para evitar essa fratura na massa polimérica, deve-se planejar e conhecer o limite onde ocorre a fratura, e trabalhar em condições de segurança.(Manrich 2005, pg. 74)
2.3.3 Efeito Pele De Cação
O defeito conhecido como pele de cação (ou tubarão) é caracterizado pela falta de adesão da massa fundida com a parede da matriz, de fato o efeito de escorrega/não-escorrega nas paredes acarreta num produto final não liso, e se houvesse uma camada aderida, esse efeito não existiria, contudo o material do qual é construída a matriz afeta diretamente nesse fenômeno, pois se por qualquer motivo a parede esteja com uma rugosidade elevada, ou essa rugosidade não seja constante na matriz, vai ocorrer o defeito, ou vai acarretar num produto final com superfície rugosa, se as paredes da matriz tiverem uma superfície lisa, com rugosidade baixa, a massa fundida irá fluir constantemente e o produto final terá qualidade superior, porém deve-se atentar para a mudança do perfil de velocidades na saída da matriz, alguns procedimentos podem ser realizados, se mesmo com os devidos cuidados o produto final apresentar esse defeito, deve-se adicionar aditivos, que tem como característica diminuir a pressão na massa polimérica em torno de 1/3.(Manrich 2005, p. 75)
2.4 FLUXO DE POLÍMEROS NO PROCESSAMENTO
Os polímeros quando são processados se apresentam de diversas maneiras, podendo se apresentar como borrachosos (mais solido), ou mais
maleáveis (mais líquido), isso depende do tipo do polímero, e também da energia envolvida no processo (cisalhante, térmica, deformação, etc.), segundo Manrich (2005, p.78) esses polímeros tendem a fluir dentro dos equipamentos de processamento de forma laminar, obedecendo ao número de Reynolds. Essa fluência está diretamente ligada a viscosidade da massa polimérica processada, onde um fluido newtoniano tem viscosidade constante, em temperaturas e pressões constantes, já essa viscosidade está ligada a taxa de cisalhamento atuante, assim para que o fluido percorra os canais da matriz sem que ocorram deformações, deve-se existir uma equalização de pressão no canal, porém existe a diferença de pressões dentro do canal, onde das paredes da matriz até o centro do canal existe uma variação que define o perfil de velocidade da massa polimérica, tem um formato parabólico, apresentando uma taxa de cisalhamento nas paredes da matriz máxima, e taxa de cisalhamento nula no centro do canal, as ramificações moleculares no polímero tem orientações diferentes devido a taxa de cisalhamento, apresentando um perfil mais estirado nas paredes da matriz, e um perfil mais distribuído no centro, segundo Manrich (2005, p. 81) o efeito do cisalhamento é predominante, levando a viscosidade convergir a valores semelhantes quando aplicadas em diferentes temperaturas e submetido a altas taxas de cisalhamento. Esse conceito é utilizado em processos de injeção quando é necessária a aplicação de polímeros que não resistem a altas temperaturas por muito tempo, devido a degradação, e necessitam ter boa viscosidade para atingir canais complexos e de parede fina nos moldes, o processo em questão é exemplificado por Manrich (2005, p.82) onde é citado que o decaimento da pressão é baixo, considerando que no ponto de injeção a taxa de cisalhamento atinge 105 s-1 e ao passar pelas paredes finas 104 s-1, resultando no preenchimento por completo do molde.
2.4.1 Tempo de Residência
Segundo Manrich (2005, p.94) o tempo de residência do polímero dentro do equipamento durante o processamento deve ser conhecido, para prevenir a degradação, e possibilitar a otimização com aditivação necessária. Assim partindo que 𝑡𝑅 é o tempo de residência; n é o fator de potencias (1 para fluidos ideais, ou menor que 1 para pseudoplásticos); 𝑉0 é a velocidade máxima do polímero fundido
escoando; e L é o comprimento do canal. Podemos estimar segundo a equação 3 da forma: 𝑡𝑅 = (3𝑛+1 𝑛+1) 𝐿 𝑉0 (3) Onde: 𝑡𝑅 é o tempo de residência;
n é o fator de potencias (1 para fluidos ideais, ou menor que 1 para pseudoplásticos);
𝑉0 é a velocidade máxima; L é o comprimento do canal.
2.4.2 Tempo de Relaxação
Podemos prever o comportamento viscoelástico a partir do tempo de relaxação, podendo estimar o inchamento do extrudado, fratura do fundido, empenamento de peças, entre outras, a recuperação do polímero pode levar meses e até anos para se completar, acarretando no surgimento de trincas e empenamento das peças. Podemos estimar esse tempo por ensaios dinâmico-mecânicos, em função da temperatura, tempos de relaxação pequenos estão relacionados a viscosidades (𝜂) mais baixas e tempos de relaxação (𝑡∗) mais altos ocorrem devido a viscosidades, módulos de elasticidade (E) e ou de cisalhamento elevados. Dependendo da estruturação do polímero podemos estimar o tempo de relaxação com a equação 4: (MANRICH 2005, p.95)
𝑡∗ = 𝜂
𝐸 (4)
Onde: 𝑡∗ é o tempo de relaxação; 𝜂 é a viscosidade;
E é o modulo de elasticidade.
Tabela 2 - Volume específico e densidade de alguns polímeros. Polímero
Volume Específico (cm³/g) Densidade (g/cm³)
Fase amorfa Cristal Fase amorfa Cristal Polietileno (PE) 1,1601 0,9891 0,862 1,011
Polipropileno isostático (PPi) 1,163 1,068 0,86 0,936
Polietileno Tereftalato (PET) 0,738 0,687 1,355 1,455
Fonte Canevarolo (2002)
2.5 COMPORTAMENTO TÉRMICO
Segundo Canevarolo (2002, p.149) os polímeros podem apresentar ao menos três temperaturas de transição importantes: transição vítrea (Tg), fusão cristalina (Tm) e cristalização (Tc) e Michaeli (1995, p. 49) inclui a de degradação (Tz):
Temperatura de transição vítrea
Segundo Sarantópoulos (2002, p.7) nos polímeros as mudanças de estado são menos definidas, sendo que a Tg (temperature glass) é a mais importante nos polímeros amorfos, caracterizada pela mudança no coeficiente de expansão térmica e na capacidade calorífica. Ramificações e plastificantes de baixo peso molecular abaixam a Tg. Canevarolo (2002, p. 149) complementa que a Tg é a faixa de valores de temperaturas que permitem ao polímero uma mobilidade, onde abaixo da Tg o polímero não apresenta energia suficiente para movimentar uma cadeia em relação a outra, tornando-o quebradiço donde surge o termo glass (vidro). Sarantópoulos (2002, p.7) salienta que polímeros à uma temperatura acima da Tg simplesmente amolecem e que não podemos denominá-la temperatura de fusão, devido a tal nomenclatura referir-se a polímeros cristalinos.
Temperatura de fusão cristalina (Tm ou Tf)
Tm é o valor médio da faixa de temperaturas onde o polímero ao sofrer aquecimento a energia se torna superior as forças intermoleculares secundárias, destruindo a estrutura regular de empacotamento, como referido anteriormente, faz sentido se aplicada a polímeros semicristalinos, afetando variáveis como volume especifico, entalpia, etc. (CANEVAROLO, 2002, p. 150)
Temperatura de cristalização (Tc)
Segundo Canevarolo (2002, p. 151) um polímero semicristalino ao ser resfriado a partir da temperatura de fusão, as suas cadeias irão se organizando de forma regular formando uma estrutura cristalina, podendo ser isotérmica, onde a temperatura é diminuída até Tc e mantida constante até que toda a cristalização
ocorra, ou de forma dinâmica, onde o polímero é resfriado de forma continua, de maneira que a cristalização ocorre numa faixa de temperatura, como essa faixa está entre Tg e Tm é definido um Tc como valor unitário no intervalo.
Temperatura de degradação (Tz)
Segundo Michaeli (1995, p.49) a Tz representa o valor excessivo de energia aplicado ao polímero, onde ao aplicar uma temperatura acima das faixas citadas anteriormente, o polímero tende a degradar-se.
A tabela 3 a seguir demostra algumas temperaturas importantes para alguns polímeros:
Tabela 3 - Temperaturas de transição.
Polímero Tg (ºC) Tm ou Tf (ºC)
Polietileno de alta densidade – PEAD -125 137
Polietileno de baixa densidade - PEBD -25 98
Polipropileno – PP (homopolímero) -18 176
Politereftalato de etileno – PET (homopolímero) 69 267
Poliestireno – PS (isostático) 100 240
Policloreto de vinila – PVC 87 212
Policloreto de vinilideno – PVDC -36 198
Poli (hexametileno adipamida) – Nylon 6.6 50 265
Poli (hexametileno sebacamida) – Nylon 6.10 40 277
Policarbonato – PC 150 220
Fonte adaptado de Robertson (1993)
Michaeli (1995, p. 51) demostra a faixa de temperaturas para o polietileno de baixa densidade (LDPE ou PEBD), e por ser um termoplástico semicristalino ele possui o seguinte comportamento conforme a figura 3:
Figura 3 - Comportamento do LDPE entre as temperaturas de transição.
2.6 DEGRADAÇÃO DO POLÍMERO
Segundo Canevarolo (2002, p. 55 e 122) a degradação é o conjunto de reações que envolvem a quebra de ligações primárias da cadeia principal do polímero, resultando na formação de outras cadeias reduzindo a massa molar e mudando a estrutura química, esse fenômeno implica em mudanças físico-químicas drásticas nos polímeros, causando vários tipos de degradação:
Despolimerização
Neste caso ao ser aquecido o polímero se transforma em monômero, ou seja, ele acaba separando suas ligações e permitem a regeneração do monômero. Ex. polimetil metacrilato (PMMA).
Térmica
Ocorre devido ao ataque de moléculas de baixa massa molar em ligações com baixa energia de ligação na cadeia principal, assim alguns polímeros se degradam com a aplicação de temperatura, devido ao fato de eles serem atacados em suas cadeias por moléculas de hidrogênio, de forma aleatória. Se além da aplicação de temperatura, houver cisalhamento, a degradação torna-se termomecânica, intensificado a degradação. Um problema que ocorre na extrusão do polipropileno (PP) é a oxidação das cadeias poliméricas devido ao ataque do oxigênio do meio externo ao carbono terciário ou secundário, gerando grupos de carbonila (cetonas e aldeídos). Esse efeito acaba obrigando o reprocessamento do polipropileno por várias vezes, afim de obter um produto satisfatório. A extrusão do polietileno (PE) tem reação muito parecida com a do PP, porém é afetada pela presença ou não do oxigênio, quando presente ao atacar o carbono secundário gera a cisão da cadeia, e na ausência, o cisalhamento gera a ruptura da cadeia, podendo se recompor na cadeia original, ou gerar a cisão da cadeia, no caso do polietileno de alta densidade (HDPE), esse fenômeno gera o aumento da viscosidade ao ser reprocessado, e como o reprocessamento gera ramificações, o HDPE pode se tornar polietileno de baixa densidade (LDPE) (CANEVAROLO, 2002, p.124).
Ataque a grupos laterais
Polímeros com energia de ligação mais baixa que de uma ligação simples, possuem ramificações laterais fracas, isso devido a formação de gases, ou ácidos pelo processamento de polímeros com essa característica, neste caso o
policloreto de polivinila (PVC), pode liberar o ácido clorídrico (HCl) e de forma autocatalista ele acaba degradando rapidamente o restante do polímero, tem como característica dar uma coloração avermelhada ao polímero, e mais escura conforme for o grau de degradação, para controlar esse efeito, no âmbito industrial se acrescenta estabilizadores térmicos, o que permite o seu processamento em produtos comerciais (CANEVAROLO, 2002, p.127).
2.7 EQUIPAMENTOS PARA PROCESSAMENTO DE POLIMEROS (EXTRUSORA E INJETORA)
2.7.1 Extrusora
Segundo Michaeli (1995, p. 88) podemos caracterizar uma extrusora como componente padrão de instalações e processos baseados em extrusão, onde tem a função de produzir uma massa fundida homogênea do polímero alimentado, e conduzir a massa fundida com a pressão necessária durante o processo.
A figura 4 abaixo aborda de maneira simplificada os componentes da extrusora.
Figura 4 – Esquema básico de uma extrusora.
Fonte: Michaeli 1995, p. 89
Dentre os componentes citados na figura 4, podemos exemplificá-los como:
Cilindro ou barril: Tem como função suportar a pressão aplicada, e auxiliar o transporte do polímero sem causar danos ao mesmo, deve suportar a temperatura
empregada no processor e suas dimensões dependem da rosca. A temperatura deve ser bem controlada a fim de manter a viscosidade desejada, sendo que uma elevação na temperatura pode gerar aumento da viscosidade (MANRICH 2005, p. 110). O barril pode ser fabricado por diversos tipos de aços, a extrusão de chapas ou perfis exige uma pressão de 75 MPa, e para injetoras essa pressão fica na casa dos 230 MPa, contudo para que não ocorra deflexão no barril em extrusoras, é sugerido que o barril tenha diâmetro externo 2,0 vezes o diâmetro da rosca, e para injetoras o barril deve ter 2,5 vezes (MANRICH, 2005). O material do barril deve atender as propriedades exigidas, onde necessita de uma dureza de 55 a 72 HRC, resistência a tração entre 360 e 600 MPa, para que esses parâmetros sejam obtidos, é necessário o tratamento superficial do barril, normalmente realizado por nitretação, e o material mais utilizado na fabricação de barris são as ligas Nitraloy 135M, Xaloy 800(mais resistente à abrasão) e Xaloy X-1001(Matriz martensítica) (MANRICH, 2005).
Funil: Tem como função alimentar igualmente a extrusora com o polímero a ser processado, o funil pode conter equipamentos que auxiliam na movimentação e no escorregamento de material, como sistema de agitação, vibração, controladores de fluxo. Em equipamentos mais modernos, o funil foi substituído por silos, assim além de alimentar a extrusora, esse componente faz a secagem do material.
Sistemas de aquecimento: segundo Michaeli (1995, p. 91) esse sistema tem como função aquecer e resfriar o cilindro conforme necessidade do processo, sendo dividido em várias zonas, é utilizada normalmente resistências em tiras, porem podem ser aplicados outros sistemas, como serpentinas de líquidos.
Rosca: tem como função puxar, transportar, fundir, homogeneizar e dosar o polímero, como dito anteriormente, é o principal componente da extrusora. Uma característica da rosca é que seu diâmetro externo é sempre constante, porem a cavidade da rosca é variável conforme polímero e produtividade desejada. Segundo Michaeli (1995, p.89), a rosca de três zonas é a mais utilizada, devido a sua vasta aplicação em diferentes polímeros com retorno econômico e térmico no processamento. Segundo Manrich (2005, p.108) o comprimento e o diâmetro da rosca dependem do polímero utilizado, e normalmente as roscas simples possuem ângulo de hélice de 17º e passo próximo ou igual o diâmetro, e Michaeli (1995, p.89) afirma que a relação comprimento por diâmetro (L/D), determina a potência da
extrusora, onde ao se variar D altera a vazão total do processo, e Manrich (2005, p. 130) relaciona que quanto maior for L/D maior é o tempo de residência, maior é o cisalhamento, existe uma maior mistura, e consequente maior gasto energético. Outro fator que a rosca deve atender é o avanço constante sem pulsação, produção de uma massa fundida homogeneizada, elevação da pressão da massa polimérica ao longo do comprimento da rosca, e o processamento do material abaixo das faixas de degradação. A figura 5 demonstra as zonas conforme acontece o processo da passagem do polímero na rosca.
Figura 5 – Zonas da rosca.
Fonte: Michaeli (2005, p. 89)
Para essas zonas da rosca, podemos definir que a zona de entrada ou de alimentação, é a região onde está próxima do funil, já a região de compressão atua na forma de aumentar a taxa de cisalhamento e encontra-se na zona intermediaria da rosca, roscas com zona de compressão longas, afetam o tempo de residência, fluxo desigual nessa zona, um baixo cisalhamento, por consequência um baixo poder de mistura (MANRICH 2005, p. 130), porém quando a zona de compressão é curta, as consequências são inversas e pode originar superaquecimento localizado. E com zona de calibragem ou de controle de vazão que se encontra no fim da rosca, próximo as grelhas e ao mandril extrusor, funcionando como um homogeneizador e controlador do processo. A figura 6 mostra os parâmetros e características presentes no canhão e na rosca.
Figura 6 – Características do barril e da rosca.
Fonte: Manrich (2005, p.108)
A folga entre a rosca e o canhão deve atender a alguns princípios, onde Manrich (2005, p. 112) destaca que essa folga deve atender a uma grandeza = 0,15 mm, para evitar o contato entre as partes, evitando desgaste e desperdício de energia, devido a pressão aplicada ao polímero, não existe fuga do mesmo por essa folga, porem se a folga for superior a 0,2 mm, deve ocorrer essa fuga.
Manrich (2005, p.110) declara que o passo da rosca Ls e a profundidade
do canal h, afetam a taxa de cisalhamento, modificando o calor gerado e a vazão volumétrica, considerando a rotação N constante, a mudança na rotação N afeta os mesmos parâmetros.
Existem diferentes tipos de extrusoras, as quais são atendidas por diferentes tipos de roscas, além da rosca única simples já citada, temos outros tipos, segundo Michaeli (1995, p. 90):
Extrusora de parafuso único com extração rígida, caracterizada com o cilindro é ranhurado internamente, para aumentar o atrito e a consequentemente a taxa de cisalhamento, assim a formação de pressão ocorre na região de alimentação da rosca, porém a homogeneização perde propriedades, sendo necessário o uso de dispositivos a fim de melhorar a qualidade em relação a extrusora convencional.
Extrusora de duplo parafuso é alimentada com polímeros na forma de pó, atuam com sentido oposto uma em relação a outra, é utilizada em processos que demandam a aditivos, devido a facilidade na mistura, sem demandar maiores esforços mecânicos, ou maior energia, outra característica é a aplicação no processamento de polímeros que são sensíveis a temperatura, e não podem sofrer por tempos de passagem longos, assim não alcançam o limite de degradação.
Extrusora de duplo parafuso com giro no mesmo sentido é utilizada na formação de poliolefinas.
A extrusora pode ser composta por uma rosca com duplo filete, onde a característica é de melhorar a mistura, esses filetes não tem ligação entre si, o que impede o material ir de um para outro canal, uma vantagem é que os canais não são muito largos. (MANRICH 2005, p. 136)
Outros tipos de roscas aplicadas a extrusoras podem ser citadas as roscas de filete duplo na zona de alimentação, a rosca de passo variável, rosca de passo variável para borrachas, roscas cônicas, rosca com zona de descompressão. (MANRICH 2005, p. 144)
Um fator interessante que Michaeli (1995, p.92) aborda, é em relação aos materiais e o tipo de processamento, extrusão e injeção, onde enquanto a injeção é desejável baixa viscosidade e alta fluidez, na extrusão é exigida uma alta viscosidade, isso garante que o material não escorra no processo.
Tabela 4 - Faixas de temperaturas de processamento de alguns polímeros Plástico Faixa de Temperatura de
Processamento
Exemplos de Aplicação (Extrudados)
PE 130 – 200 ºC Tubos, tablet, filmes,
revestimentos
PP 180 – 260 ºC Tubos, filmes planos, tablet,
fitas
PVC 180 – 210 °C Tubos, perfis, tablet
PMMA 160 – 190 ºC Tubos, perfis, tablet
PC 300 – 340 ºC Tablet, perfis, corpos ocos
Fonte Michaeli (1995, p. 92)
Manrich (2005, p. 110) afirma que a matriz e a grelha alteram a pressão ao longo da rosca, onde é desejável uma boa distribuição de pressão, a boa mistura e a plastificação dependem dessa pressão controlada, pois o cisalhamento atuante acaba deformando a massa polimérica, assim a grelha elimina esses efeitos, e quando o polímero é processado sem a presença da grelha, pode ocorrer distorção ou empenamento.
As temperaturas do canhão, da rosca, e do conjunto à frente da rosca também podem ser otimizadas, para gerar máxima qualidade ao extrudado. (MANRICH, 2005, p.110)
O processo de extrusão pode ter um sistema de acabamento na linha produtiva, podendo variar de polímero para polímero, esses sistemas podem conter calibradores, puxadores, sistemas de resfriamento e sistemas de corte. (MANRICH
2005, p.111). E a figura 7 demonstra como é a esquematização da linha de acabamento acoplada à extrusora:
Figura 7 - Linha de acabamento acoplado à extrusora.
Fonte: Manrich (2005, p. 111)
O processo de extrusão tem uma configuração para o fluxo de energia aplicado ao polímero conforme a variação da rosca, e consequente pressão no processo, a equação 5 nos ajuda a encontrar a potência necessária na extrusão, onde P0 = Potencia necessária; = densidade; Q = vazão volumétrica; Cp =
capacidade calorífica; Tentrada = temperatura de entrada do polímero no processo;
Tsaida = temperatura de saída do polímero; Hf = entalpia do polímero; p = Variação
de pressão; e a massa especifica 𝑚̇. Então temos:
𝑃0 = 𝜌 ∙ 𝑄 ∙ Cp ∙ (−Tentrada+ Tsaída) + 𝜌 ∙ 𝐻f+ ∆𝑃 ∙ 𝑄 (5)
Onde: P0 = Potencia necessária [ KJ/h ];
= densidade [ g/cm³];
Q = vazão volumétrica [ Kg/h ]; Cp = capacidade calorífica [ J/KgºC ];
Tentrada = temperatura de entrada [ºC];
Tsaida = temperatura de saída [ºC];
Hf = entalpia [J/Kg];
p = Variação de pressão [Mpa]. 𝑚̇ = massa especifica.
Com a massa especifica 𝑚̇, a vazão Q pode ser determinada pela equação 6:
𝑄 = 𝜌 ∙𝑄
𝜌 = 𝑚̇
O numero de rotações por minuto para atender ao mínimo necessário pode ser definido conforme as características de cisalhamento do processo de extrusão, onde Manrich cita a faixa cisalhamento 𝛾̇ entre 10² - 10³ [s-1], igualando esse cisalhamento com o diâmetro da rosca (D) multiplicado por 𝜋 e a rotação (N) em rpm, dividido pela altura da crista da rosca (h2) vezes 1 segundo, então pela equação 7, com o rearranjo necessário, determinamos a rotação:
𝛾̇ =
𝜋 ∙𝐷 ∙ 𝑁ℎ2 ∙1 (7)
Assim podemos demonstrar esse fluxo segundo Manrich (2005) pela figura 8:
Figura 8 – Fluxo de energia aplicado ao polímero, a linha pontilhada é devido a uma maior pressão perto do funil (zona de alimentação curta)
Fonte: Manrich 2005, p. 132
2.7.2 Injetora
A injetora tem características parecidas com a extrusão, porem com diferenças pontuais que interferem no equipamento, primeiramente deve-se destacar que a pressão dentro do barril ou canhão é muito superior a pressão atuante na extrusão, outra característica é que a rosca tem uma zona maior de alimentação devido ao fato do deslocamento necessário, atuando como pistão, outro componente diferenciado da extrusão é a necessidade da utilização de um molde, que é responsável por dar forma ao produto final.
O molde convencional de uma injetora pode ser dividido geralmente em dois tipos distintos, o molde duas placas, que atua de forma a uma placa fica estática e outra faz o movimento de aproximação fechamento do molde, consequente ejeção da peça, e molde de três placas, onde além das placas citadas acima, ele possui uma placa intermediária, que atua no auxílio da ejeção das peças e separação dos canais de injeção. O molde pode conter canais de injeção, canais de alimentação e distribuição, além disso, o molde pode conter canais de refrigeração e pinos extratores, entre outros componentes. (MANRICH 2005, p. 278)
Moldes de canais quentes tem essa denominação devido ao comportamento do polímero que está sendo processado, assim como o polímero não resfria nos canais de injeção e distribuição, ele permanece fundido, resultando assim num produto final de melhor qualidade, para obtenção dessa propriedade o polímero pode ser injetado diretamente no canal do molde, ou injeção com câmara quente, onde o polímero segue controlado até as cavidades finais sem alteração em sua temperatura e nas propriedades reológicas. (MANRICH 2005, p. 279). Esses moldes reduzem o custo com mão de obra devido a diminuição dos defeitos indesejáveis causados pelo resfriamento precoce dentro dos canais, melhor controle de processo, melhor economia de matéria prima, dispensa a necessidade de reciclar peças mal formadas, reduz a energia gasta num contexto geral, e melhora a eficiência da injetora. (MANRICH 2005, p. 279)
Muitos parâmetros a serem considerados no processo de injeção, e além dos citados anteriormente, deve-se fazer um estudo de tentativa e erro, a fim de encontrar os melhores parâmetros a serem aplicados visando uma maior produtividade e consequente melhor qualidade.
Roscas com degasagem podem ser utilizadas como intuito de retirar gases ou o ar presente no início da fase de fusão do polímero, são encontradas na região central, essas roscas são compostas de três zonas antes da degasagem e três zonas após, devido à complexidade da utilização dessa rosca, as injetoras tendem a controlar os efeitos dos gases de outras maneiras anteriores ao processo.
Para regulagem de faixa de temperaturas por zonas de injeção, segue o estudo de acerto e erro, buscando melhores qualidades, porém Manrich (2005) através da tTabela 5 apresenta alguns exemplos de faixas de temperatura para alguns polímeros.
Tabela 5 - Temperaturas distribuídas conforme zonas da rosca
Polímero Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 (Bico)
ABS Ac. Celulose PVC 210 – 240 190 – 220 170 – 200 210 – 240 210 – 300 170 – 200 200 – 230 200 – 220 160 – 160 190 – 220 190 – 210 150 – 150 Náilon 6 Náilon 6.6 Náilon 6,10 230 – 250 260 – 280 230 – 250 230 – 250 260 – 280 230 – 250 220 – 240 250 – 270 220 – 240 210 – 240 240 – 260 210 – 230 Náilon 6/30 FV PC LDPE 290 290 – 310 170-200 290 300 – 320 180 – 210 300 290 – 310 170 – 200 310 280 – 300 150 – 180 HDPE PET PMMA 210 – 240 270 – 290 200 – 220 220 – 250 279 – 295 190 – 210 210 – 240 270 – 290 180 – 200 190 – 220 270 – 290 170 – 196 POM PP OS 190 – 210 240 – 270 190 – 220 180 – 200 240 – 270 180 – 210 180 – 200 230 – 260 180 – 210 170 – 190 120 – 250 170 – 200 Fonte Manrich 2005, p. 293
Para o preenchimento do molde, é necessário que o polímero possua uma fluidez suficiente para escoar pelos canais do molde, e a pressão empregada geralmente fica em torno de 300 bar (30 Mpa) a 1200 bar (120 Mpa) (MANRICH 2005, p.299). O polímero pode sofrer uma expansão de até 25% quando está acima da temperatura ambiente, sendo necessário um estudo aprofundado para o atendimento de dimensões precisas. Na fase de preenchimento do molde propriamente dita, é injetado a massa necessária para preencher completamente o molde, porém sem aplicar pressão, ou seja, se a peça for retirada sem aplicar uma pressão, a peça teria um dimensionamento inferior ao esperado. Na fase de pressurização normalmente aplica-se uma pressão, onde atinge o valor máximo do ciclo, assim é possível enviar os 25% de massa polimérica que necessita-se, porem devido a algumas características especiais de alguns polímeros, esse valor não é concretizado, enviando somente 10% de massa a mais, o recomendado é que não se aplique o máximo da massa polimérica possível, porque o grau de encolhimento da peça auxilia no desmolde do produto. Finalizando temos a fase de recalque ou fase de compensação, onde é enviado o restante necessário de massa polimérica (0% – 15%) e mantendo a pressão aplicada ao molde (MANRICH, 2005). A figura 9 demostra claramente as fases na injetora.
Figura 9 – Fases durante o processo de injeção.
Fonte: Manrich 2005, p. 301
Manrich (2005, p. 302) cita as pressões de injeção máximas para o processamento de alguns polímeros, conforme tabela 6:
Tabela 6 - Pressões máximas dos polímeros.
Polímero Densidade (g/cm³) Pinj máxima (Bar)
ABS 1,01 800/1200 Acetato de celulose 1,26 800/1200 PVC 1,43 1000/1200 Náilon 6 1,12 800/1200 Náilon 6,6 1,13 800/1200 Náilon 6,10 1,03 800/1200 Náilon 6,6/30%FV 1,56 800/1200 PC 1,2 1000/1200 LDPE 0,91 800/1200 HDPE 0,94 500/1000 PET 1,34 600/900 PMMA 1.17 800/1600 PP 0,9 800/1200 PS 1,04 800/1200 Fonte: Manrich 2005, p. 302 2.7.3 Roscas
Para escolher a rosca adequada no processo, Manrich (2005, p. 155) cita algumas propriedades fundamentais para escolha da rosca de alguns polímeros termoplásticos na tabela 7:
Tabela 7 - Propriedades dos polímeros. Polímero K J/ms°C Cp KJ/Kg°C P g/cm³ Tg ºC Tm ºC ƞ *** PS 0.12 1,2 1,06 101 - 0,3 0,08 PVC 0,21 1,1 1,4 80 - 0,3 0,2 PMMA 0,2 1,45 1.18 105 - 0.25 0,2 SAN 0,12 1,4 1,08 115 - 0,3 0,2 ABS 0,23 1,4 1,02 115 - 0,25 0,2
